АЭС Шипингпорт - первая АЭС с уран-ториевым реактором
АЭС Шипингпорт - первая АЭС с уран-ториевым реактором (доработанный перевод с англоязычной заметки) В 1957 году местность в округе Бивер вдоль реки Огайо, близ городка Шипенгпорт (в месте называймом «Долина Бобра», это примерно в 40 км от Питсбурга) в западной Пенсильвании, стала домой для первой коммерческой атомной электростанции США в соответствии с программой "Мирного атома" президента Дуайта Д. Эйзенхауэра. АЭС Шипингпорт
Всего два десятилетия спустя, американское Министерство энергетики (DOE) преобразовало реактор АЭС в легкий водный бридерный реактор, первый промышленно используемый торий-урановый ядерный реактор. Большая часть успеха, которого добились на АЭС Шипингпорт, непосредственно принадлежит очень дисциплинированному планированию и исполнительности адмирала Х.Г.Риковера, который создал реакторный отдел в американском военно-морском флоте, и в последствии руководил разработкой первых в США атомных субмарин и авианосцов.
Х.Г.Риковер Адмирал Риковер во время ревизии атомной субмарины Наутилус
Родившись в небольшом местечке к северу от Варшавы, Риковер закончил американское Военно-морское училище в 1922 году и служил на эсминце USS LaVallette и линкоре USS Nevada, после чего получил диплом магистра по электротехнике в университете Колумбии. С 1929 года Риковер получил назначение на подводную лодку S-9. Во время 2-й мировой войны был переведён руководителем электрического отдела Бюро Поставок (поставка, замена и внедрение электро-начинки на подводные лодки, военные корабли, и т.д.) После того как правительство США приняло решение строить атомную подводную лодку, было решено отправить Риковера (как и некоторых других) в Окриджскую лабораторию для обучения реакторным технологиям (лабораториям ядерных исследований нужны были люди со знанием как ядерных реакторных технологий, так и собственно того куда эти реакторы будут ставится). Позже Риковера назначают руководителем новоиспечённого отдела реакторных технологий при Военно-морском Бюро Поставок, а позже он был назначен комиссией по атомной энергетике (AEC) (в 1953 году) ответственным за программу энергетического реактора.
Но началось всё чуть раньше. В 1948 году WestinghouseElectricCompany начала сотрудничать с Национальной Лабораторией в Иллинойсе, чтобы проектировать ядерный реактор, для привода подводных лодок. По просьбе курирующего вопрос Риковера в 1948 году Westinghouse начали создавать Лабораторию Ядерной энергии «Bettis», посвященную исключительно работе над ядерными проектами для военно-морского флота, которая фактически стала подчиняться самому Риковеру. Ему удалось добиться того, что бы лаборатория Bettis получила больше бюджетного финансирования в течение следующего десятилетия, чем какая-либо другая ядерная лаборатория в стране, а Westinghouse Electric Company фактически стала лидером во внедрении ядерных технологий.
Начались разработки проекта реактора (который стали разрабатывать в Окридже). Остановились на варианте с применением обычной обессоленной воды в качестве замедлителя, теплоносителя и охладителя активной зоны. Прототип реактора Марк I, который создавался для подводных лодок проектировали в «Bettis» и Westinghouse, для него специально придумали оболочку из циркониевого сплава, чтобы защитить урановые топливные элементы от коррозии (впоследствии к такому решению пришли и в некоторых других странах, и цирконий стал широко применяться для оболочек ТВЭЛов во всём мире).
Декабрь 1952 года приносит Риковеру крупное разочарование. Полной неудачей окончились испытания управляющих стержней для реактора, сделанных из кадмия (на что возлагали большие надежды). Отныне все усилия военно-морских атомщиков будут брошены на гафний. Когда прототип Марк I удалось запустить в работу в марте 1953 года, по стоимости все работы обошлись в $30 миллионов, тогда военно-морской флот собирался создавать еще более крупный герметичный легкий водный реактор, чтобы установить его на авианосец. Но по причине неудачи испытания кадмиевых управляющих стержней (хотя скорее всего не только) корабельное бюро постановило не распылять силы и не браться за атомный авианосец до тех пор, пока не будет построена первая АПЛ. Финансирование было уменьшено, работа над ядерным авианосцем была приостановленна, но проект увеличенной версии лодочного реактора Марк I уже был разработан (кроме некоторых мелочей), и так как Эйзенхауэр всё равно не позволил бы его поставить на авианосец (по крайней мере в ближайшие пару лет, т.к. у Эйзенхауэра были немного другие планы) его решили применить в перспективном проекте АЭС.
В июле 1953 года Риковер стал контр-адмиралом. Нельзя сказать, что это обрадовало многих военно-морских боссов. "Джентльмены, мы способны разбивать русских каждую среду до обеда, но что нам делать с Риковером?", - надпись, вложенная в уста высших морских чинов на карикатуре от "Сан-Франсиско Кроникл", как нельзя лучше демонстрирует умение свежеиспеченного адмирала ставить в тупик своё начальство. Вместе с адмиральскими звёздами, на Риковера свалились и новые обязанности. Ему поручают заняться конверсией военных технологий для гражданских нужд, и собственно в штате Пенсивальния он должен курировать проект строительства АЭС Шиппингпорт. В декабре 1953 президент Эйзенхауэр озвучил своё видение "Мирного атома" перед Организацией Объединенных Наций, призвав ядерные державы мира запасать уран лишь для использоваться в мирных целях. Позже появилась и сама Но для гражданской реакторной программы США, чтобы успешно воплотить её в жизнь, AEC должен был найти частного партнера-инвестора который взял бы на себя часть расходов (ибо какая она «мирная» и «гражданская» если всё за счёт Военно-морского флота?) и в последствии продемонстрировал коммерческую жизнеспособность проекта (если бы таковая была). Несколько компаний представляли предложения, но именно Филип А. Фледжер, председатель и президент Duquesne Light Company, настойчиво продвигал свою фирму для завоевания предложения. Несмотря на то, что низкие цены на топливо и многочисленные поставки угля, природного газа и нефти в Пенсильвании означали, что ядерная энергия тогда не имела большого экономического смысла, Duquesne тем не менее, согласились предоставить $30 миллионов проекту в течении пяти лет.
Фледжер предполагал в конечном счете заменить угольные электростанции на АЭС, чтобы уменьшить количество сажи и дыма в воздухе (которых вот уже больше века в Питсбургском воздухе было предостаточно). В обмен на обязательство Duquesne, AEC финансировали 90 процентов стоимости оборудования, создавал реактор и принимал на себя всю юридическую ответственность за любые проблемы, которые могли возникнуть в процессе. В День труда в 1954 году, президент Эйзенхауэр махнул церемониальной нейтронной палочкой по нейтронному счетчику в Денвере, чем сигнализировал бульдозерам на расстоянии в 2000 км (у Шипингпорта), начать расчищать место для строительства первой национальной коммерческой атомной электростанции.
Несмотря на всю продуманность проекта, некоторые вещи пришлось разрабатывать специально.
Например для очистки радиоактивного теплоносителя первого контура (для его последующей замены), Лаборатория Ядерной энергии Bettis разрабатывала систему ионного обмена, которая отклоняла молекулы загрязненной воды к подземным резервуарам, где она отстаивалась в течение сорока пяти дней. За это время существенно уменьшался уровень её радиоактивного загрязнения. После чего вода ещё раз пропускалась через ионообменники (и так пока радиоактивность не снизится до приемлемых значений). Дезактивированная таким образом вода могла или быть закачена назад в реактор или безопасно слита в реку Огайо (на сколько безопасно не сообщалось, некоторые сомневались, читай ниже).
Но если что AEC принимал на себя полную ответственность за избавление от всех радиоактивных отходов, а также за ядерное топливо. Как и планировали, станция была готова в 1957 году. камера высокого давления перед установкой
Реактор достиг критичности в 4:30 2 декабря 1957 года. 18 декабря в 0:30 пар от энергии реактора был пущен на турбину, после чего генератор синхронизировали для выработки энергии в электросеть DuquesneLightCompany. Полная мощность в 68 МВт была достигнута пять дней спустя. Фактически станция осталась в тестовом режиме до26 мая 1958, когда президент Эйзенхауэр официально открыл АЭС Шипингпорт. АЭС строилась 32 месяца и стоила $72.5 миллионов.
Само строительство АЭС оказалась особенно трудной технической проблемой, требуя огромного количества инфраструктуры и ещё большего количества сварных швов на реакторном ядре. Сам реактор был спроектирован, так что бы с течением времени можно было полностью сменить камеру высокого давления со всем оборудованием (т.н.«ядро реактора»).
В своей первоначальной компоновке, камера высокого давления обладала стеной из углеродистой стали восемнадцать дюймов толщиной (46 см), высотой 10 метров и 2,74 метра в диаметре. 153-тонная камера высокого давления транспортировалась от места производства в Теннесси, на плоском вагоне-платформе. Реакторное ядро (начинка реактора, в т.ч. механизмы движения стержней) было 1,83 метра высотой и 2,14 метра в диаметре. Установка первого "ядра" заняла 6 часов. Зазор между ядром и стенками камеры высокого давления был всего 1,5 мм
В реакторе было 32 управляющих стержня (первоначально гафниевых). Рабочая температура нагрева теплоносителя составляла 274 градуса по Цельсию. Реактор – двухконтурный. Так как реактор разрабатывался для авианосца, топливо было обогащенным. В основе был 93% изотоп U-235 окруженный "одеялом" из естественного U-238. Итого загрузка составила 74,8 кг U-235 окруженные 95 000 ТВЭЛов, сделанных из природного урана (U-238), которые весили примерно 14.2 тонны. Несмотря на это неравенство в массе, приблизительно половина энергии вырабатывалось U-235. Соответственно он и расходовался гораздо быстрее (за время работы на первом «ядре», U-235 «дозаправляли» 3 раза). Семь лет спустя, произведя 1.8 миллиарда киловатт часов электричества, было решено демонтировать ядро реактора.
Второе ядро увеличило генерирующую мощность и предусматривало новые системы контроля, но принцип действия использовало тот же самый «ядро»-«одеяло» (в оригинале «семя–одеяло»). Для второго ядра, объем U-235 составлял уже 21% полного топливного объема, а уровень обогащения заметно ниже (так ли это проверить создателю текста не удалось). Реактор вновь запустили 3 февраля 1965, и за следующие девять лет произвели почти 3.5 миллиарда кВт∙ч электричества. В 1974 случилась крупная поломка на турбогенераторе, и 4 февраля реактор был остановлен.
Во время ремонта турбины, министерство энергетики США приняло решение преобразовать реактор в бридерный, чтобы протестировать возможность использования природного тория и искусственно создаваемого изотопа U-233, чтобы увеличить мощность реактора. Эта идея была отработанна на экспериментальных реакторах, но что бы лучше оценить перспективы требовалось долгосрочное использование технологии. Бридерный реактор (он же реактор-размножитель) предлагал использовать часть нейтронов от деления U-235 или U-233 на ядерную трансформацию природного тория в U-233. Сам по себе торий с трудом может быть ядерным топливом, но вот U-233 другое дело. Запасы тория в природе более распространены чем запасы урана. Таким образом, это позволило бы либо либо увеличить мощность, либо значительно снизить потребление урана (при той же мощности). Получился лёгководный бридерный реактор. И на этот раз компоновку менять не стали, «ядро-одеяло» осталось но весьма видоизменённое. В «ядро» был заложен U-233, а «одеяло» было сделано из Тория.
Ядро для бридерного реактора состояло из двенадцати гексагональных топливных модулей, которые вместе были 2.74 метра высотой, 2.44 метра в диаметре и весили 90 тонн. Внутренние подвижные стержни из U-233, присоединенное к управляющему стержню, управлялось внешними приводами. Топливные стержни, были сделанны из сплава Zircaloy-4, которые были каждый 2.65 метра длинной и 7.6 см в диаметре. В стержнях были крошечные керамические топливные шарики пол сантиметра (четверть дюйма) в диаметре и 1.3 см длинны, наполненные смесью U-233 и торием. У «одеяльных» топливных шариков содержание тория было несколько выше. Топливные модули были окружены отражателем, чтобы уменьшить нейтронные потери, отразив нейтроны назад в реактор. Вместо поглощающих нейтрон гафниевых управляющих стержней, используемых в более ранних реакторах, цепной реакцией в бридерном реакторе управляли, перемещая центральные стержни с U-233.
Пуск состоялся в августе 1977 года, и после завершения предварительного тестирования 25 августа 1977 года реактор достиг критичного состояния. На третьем «ядре» реактор выработал более чем 2.1 миллиарда киловатт часов электричества.
После пяти лет работы, в 1982 году бридерный реактор был остановлен и пятьсот случайно выбранных топливных стержней из активной зоны были отправлены в лабораторию Bettis, для исследования. В 1984 году, по окончании лабараторных исследований, был сделан вывод, что эффективность работы на торий-урановом топливе была даже лучшей чем ожидалось. За время 25-летней эксплуатации, из которых реактор был в работе приблизительно 80 324 часов, было произведено приблизительно 7.4 миллиардов киловатт часов электроэнергии.
Закрытие АЭС Закрытие АЭС Шипингпорт началось в 1982 году после двадцати пяти лет эксплуатации, когда бридерный реактор был формально остановлен. Последнее ядерное топливо было удалено из реактора 6 сентября 1984 года, и Военно-морской реакторный отдел формально передавали ответственность за АЭС министерству энергетики. 1 октября 1982 года реактор был официально закрыт. Было принято предложение от фирмы General Electric по демонтажу АЭС. Первоначальная оценка GeneralElectric составляла $79 миллионов, но заключительный счет составлял $98.6 миллионов.
Непосредственно демонтаж АЭС начали в 1985 году с удаления турбины и вспомогательной диспетчерской, которая не содержала радиоактивного загрязнения. Процесс сопровождался удалением больше чем пятисот кубических метров асбестовой изоляции. Её поместили помещено в полиэтиленовые мешки и отправили в Ханфорд (штат Вашингтон). Приблизительно 1.7 миллиона литров (450 000 галлонов) разнообразных радиоактивных жидких отходов очистили, используя жидкую систему фильтрации и затем вылили в реку Огайо. Остатки от ионообменников и картриджей фильтра были изолированы в 210-литровых барабанах и переданы для захоронения.
150-тонный корпус ядерного реактора - который содержал 99 процентов радиоактивного загрязнения - был сначала помещён бетонный короб (толщиной в 7,62 см) и затем закован в стальную оболочку (толщиной примерно 2,5 см). Дополнительные радиоактивные компоненты от АЭС были вмурованы в бетон и помещены внутрь бывшей активной зоны реактора (правильнее сказать камеры высокого давления), которая была удалена 14 декабря 1988 года, и погружена на баржу «Поле Бунян». 28 февраля 1989 года баржа начала взяла курс на Бентон (штат Вашингтон).
Вот в таких бетонных цилиндрах вывозили радиоактивные элементы
Позже камеру на самолёте доставили в Ханфорд, где и захоронили в специально спроектированной яме глубиной 12 метров, где уровень радиации на протяжении последующих 59 лет будет приходить к нормальному значению. Остатки сооружений АЭС были захоронены в земле на глубине 1 метра. Также были удалены тысячи кубометров бетона фундамента станции, и удалён верхний слой почвы в близлежащих окрестностях. Впоследствии землю под станцией отвели для неограниченного использования. Затраты на списывание АЭС составили приблизительно к 12% исходной стоимости строительства станции, впервые дав реальные значения утилизации АЭС для будущих проектов.
Несмотря на то, что эксплуатация АЭС проходила без больших инцидентов, требовался анализ воздействия АЭС на местность и местное население. В 1960-х Эрнест Дж. Стернгласс, который раньше преподавал в университете Питсбурга нанятый отделом по Ядерной энергии в Westinghouse, начал подвергать сомнению безопасность долгосрочного воздействия на здоровье низкоуровневого излучения, тем более, что по мнению Стернгласса прослеживалось отношение к показателям младенческой смертности в окрестностях станции. Даже при том, что большинство ученых, которые рассмотрели его работу, подвергнутую сомнению и его методологию, и его результаты, исследование, тем не менее, приобретало свою национальную аудиторию, продвигая многие его заключения в популярных глянцевых журналах. Это помогло с аудиторией, но добавило скепсиса для противников исследований Стернгласса.
В то время как его ранняя работа была ограничена эффектами ядерных осадков, вызванных тестированием оружия, к 1970-м он начал ставить вопросы о сбросах воды с АЭС Шипингпорт в реку Огайо. Ознакомительный комитет, назначенный губернатором Милтоном Дж. Шэппом в 1973 году и возглавляемый Секретарем здоровья Леонардом Бэчменом, рассмотрел данные и пришел к заключению, что не было никакого существенного доказательства чрезмерных выбросов радиоактивности с АЭС Шипингпорт. Тем не менее, комитет рекомендовал расширенную программу экологического мониторинга около АЭС, эта рекомендация была реализована в 1975 году.
Доктор Стернгласс позже сообщил, что обнаружил увеличение смертности в районе АЭС Three Mile Island после несчастного случая 28 марта 1979 года. Но независимых научных исследований проведено не было, но начало зарождаться общественное беспокойство по долгосрочной безопасности атомных электростанций.
Риковер уволился с должности адмирала в 1982 году, после шестидесяти трех лет службы. Лаборатория Ядерной энергии Bettis, которую он помог создавать, продолжает исследования в области ядерной энергии. Стоит отметить что Лаборатория Ядерной энергии Bettis которая разработала реактор для АЭС Шипингпорт, также разработала реакторы для первой атомной субмарины USS Nautilus (1954 год), и первого в мире атомного авианосца USS Enterprise (1960 год). Филип А. Фледжер уволился с DuquesneLightCompany в 1968, (до 1981 года оставался членом совета директоров).
История АЭС Шипингпорт, тем не менее, является примером того, что возможно, когда АЭС хорошо планируется, хорошо создается, и хорошо управляется (для США есть ещё пример с Tri Mail, это когда всё не так хорошо).
В завершение приведу цитату адмирала Риковера:"Атомная энергия - область для предельно компетентных технарей, но не для регуляторов, человеческих факторов и адвокатов"
